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Mit freundlicher Genehmigung des Allen Institute (Dateidokument)

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Mithilfe einer Technologie, die ursprünglich für die Fehlererkennung in der Elektronikfertigung entwickelt wurde, haben Wissenschaftler ein einzigartiges Mikroskop zur Aufnahme von Gehirnbildern mit unglaublicher Auflösung gebaut.

Bekannt als „ExA-SPIM“-Mikroskop, könnte seine Fähigkeit, beispiellose Details zu liefern, unser Verständnis der rätselhaften Strukturen und neurologischen Funktionen des Gehirns verbessern.

Jüngste Fortschritte in der Gewebeverarbeitung, -markierung und der Fluoreszenzmikroskopie bieten außergewöhnliche Einblicke in Zell- und Gewebestrukturen bei Auflösungen unterhalb der Beugungsebene und einer Empfindlichkeit nahezu einzelner Moleküle.

Es sind Fortschritte wie diese, die immer wieder zu Entdeckungen in verschiedenen biologischen Bereichen, einschließlich der Neurowissenschaften, führen.

Um jedoch die molekulare Bildgebung dreidimensionaler Proben in allen Größenordnungen biologischer Gewebe – von Nanometern bis Zentimetern – zu ermöglichen, sind neue Mikroskope mit größeren Sichtfeldern und höherem Bilddurchsatz erforderlich.

Ein höherer Bilddurchsatz bedeutet, dass das System Bilder schneller erfassen kann, wodurch mehr Daten in kürzerer Zeit generiert und analysiert werden können.

Vor diesem Hintergrund haben Adam Glaser, Ph.D., und seine Kollegen am Allen Institute in Seattle, USA, ein neues expandationsunterstütztes selektives Ebenenbeleuchtungsmikroskop (ExA-SPIM) entwickelt.

Im Wesentlichen nutzt das Mikroskop eine Laserlichtebene, um Gewebeproben zu durchdringen, sodass sie nicht mehr in kleinere Abschnitte geschnitten werden müssen.

Sehen Sie in diesem Zeitraffervideo, wie das Team ExA-SPIM zusammengestellt hat:

Das Mikroskop erzeugt Bilder, die es Wissenschaftlern ermöglichen, einzelne Neuronen und ihre Verbindungen im gesamten Gehirn einer Maus zu untersuchen, das etwa die Größe einer Gummibärchen hat und etwa 80 Millionen Neuronen enthält.

Beeindruckend war, dass sie bestimmte Merkmale abbilden konnten, etwa kortikospinale Neuronen im motorischen Kortex von Makakenaffen und Axone in der weißen Substanz des Menschen verfolgen.

Die Forscher verwendeten spezielle fluoreszierende Markierungen, um bestimmte Neuronen für die Beobachtung unter dem Mikroskop hervorzuheben.

Allen Institute/ YouTube

Laut einer Pressemitteilung handelt es sich bei der neuen Maschine um „eine Art Lichtblattmikroskop“, eine aufstrebende Technologie, die zweidimensionale (2D) Lichtebenen verwendet, um Gewebe oder Zellen mit bemerkenswerter Präzision zu beleuchten.

Im Fall von ExA-SPIM werden diese 2D-Bilder zusammengefügt, um eine dreidimensionale Ansicht des gesamten Mausgehirns zu erstellen.

Darüber hinaus integriert die Technologie Elemente aus der Elektronikfertigungsindustrie, einschließlich Kameras zur Fehlererkennung. Diese Kameras wurden ursprünglich entwickelt, um kleinste Mängel in LED-Chips auf Förderbändern in Elektronikfabriken zu erkennen.

Das Ergebnis dieser Kameratechnik-Integration in die neuen Mikroskopsysteme ist eine hochauflösende Bildgebung in rasantem Tempo.

Eine noch nicht von Experten begutachtete Studie, die die neuesten Ergebnisse des Mikroskops hervorhebt, wurde im Preprint Biorxiv veröffentlicht und kann hier gefunden werden.

Studienzusammenfassung:

Jüngste Fortschritte in der Gewebeverarbeitung, -markierung und der Fluoreszenzmikroskopie ermöglichen beispiellose Einblicke in die Struktur von Zellen und Geweben bei Auflösungen unterhalb der Beugungsebene und einer Empfindlichkeit nahe einzelner Moleküle und treiben Entdeckungen in verschiedenen Bereichen der Biologie, einschließlich der Neurowissenschaften, voran. Biologisches Gewebe ist auf Skalen von Nanometern bis hin zu Zentimetern organisiert. Die Nutzung der molekularen Bildgebung über dreidimensionale Proben dieser Größenordnung erfordert neue Arten von Mikroskopen mit größeren Sichtfeldern und Arbeitsabständen sowie einem höheren Bilddurchsatz. Wir präsentieren ein neues expandationsunterstütztes selektives Planbeleuchtungsmikroskop (ExA-SPIM) mit beugungsbegrenzter und aberrationsfreier Leistung über ein großes Sichtfeld (85 mm2) und Arbeitsabstand (35 mm). In Kombination mit neuen Methoden zur Gewebereinigung und -expansion ermöglicht das Mikroskop die nanoskalige Abbildung zentimetergroßer Proben, einschließlich ganzer Mausgehirne, mit beugungsbegrenzter Auflösung und hohem Kontrast ohne Schnitte. Wir veranschaulichen ExA-SPIM, indem wir einzelne Neuronen im Gehirn der Maus rekonstruieren, kortiko-spinale Neuronen im motorischen Kortex von Makaken abbilden und Axone in der weißen Substanz des Menschen verfolgen.